数字水准仪原理

第一章数字水准仪的原理与特点武汉大学李以赫§概述1963年Fennel厂研制出了编码经纬仪, 加上四十年代已经出现的电磁波测距技术、以后的光电技术、计算机技术和精密机械的发展,到八十年代已开始普遍使用电子测角和电子测距技术。

然而，到八十年代末，水准测量还在使用传统仪器。

这不仅由于水准仪和水准标尺在空间上是分离的，而且两者的距离可以从1米多变化到100米，因此在技术上引起实现数字化读数的困难。

为了现实水准仪读数的数字化，人们进行了近30年尝试。

如蔡司厂的RENI 002A己使测微器读数能自动完成，但粗读数还需人工读出并按键输入，与精读数一起存入存储器，因此还算不上真正的数字水准仪。

又如利用激光扫平仪和带探测器的水准标尺，可以使读数由标尺自动记录。

由于这种仪器的试验结果还不能达到精密几何水准测量的要求，因此也没有解决水准测量读数自动化的难题。

直到1990年徕卡测量系统的前身---威特厂在世界上率先研制出数字水准仪NA2000，可以说，从1990年起，大地测量仪器全面己经完成了从精密光机仪器向光机电测一体化的高科技产品的过渡，攻克了大地测量仪器中水准仪数字化读数的这一最后难关。

到1994年蔡司厂研制出了数字水准仪DINI 10／20，同年拓普康厂也研制出了数字水准仪DL101／102。

２００２年５月徕卡公司向中国市场投放了DNA 中文数字水准仪，该仪器具有外形美观，大屏幕中文显示，测量数据可存入内存和PC卡中，并具有适合中国测量规范丰富的机载软件，这意味着数字水准仪将真正为中国用户所接受。

数字水准仪具有测量速度快、读数客观、能减轻作业劳动强度、精度高、测量数据便于自动输入计算机和容易实现水准测量内外业一体化的特点，因此它投放市场后很快受到用户青睐。

国外的低精度高程测量盛行使用各种类型的激光定线仪和激光扫平仪，因此目前数字水准仪主要定位在中精度和高精度水准测量范围，分为两个精度等级, 中等精度的标准差为：～Km,高精度的为：～／Km。

数字水准仪又称电子水准仪．它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。

它采用条码标尺,各厂家标尺编码的条码图案不同, 不能互换使用。

仪器完成照准和调焦之后, 标尺条码一方面被成象在望远镜分划板上, 供目视观测,另一方面通过望远镜的分光镜, 标尺条码又被成像在光电传感器(又称探测器)上, 即线阵CCＤ器件上，供电子读数，因此如果使用传统水准标尺, 数字水准仪又可以像普通自动安平水准仪一样使用，不过这时的测量精度低于电子测量的精度。

特别是对于精密水准测量，由于数字水准仪没有光学测微器, 当成普通自动安平水准仪使用时, 其精度更低。

当前数字水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法：1）相关法2）几何法3）相位法§徕卡数字水准测量原理在数字水准测量领域，徕卡是最早推出数字水准仪的，即1990年推出的NA2002，这是测量仪器发展的又一个里程碑。

相关法原理徕卡公司的数字水准仪采用相关法。

它的标尺一面是伪随机条形码供电子测量用，另一面为区格式分划供光学测量用。

望远镜照准标尺并调焦后, 可以将条码清晰地成象在分划板上（图1－1）供目视观测，同时条码象也被分光镜成象在探测器上，供电子读数。

图1－２左边是与徕卡数字水准仪配套的水准标尺的伪随机条码，该条码图象已被存储在数字水准仪中作为参考信号。

该条码右边是与它对应的区格式分划。

在条码标尺上，最窄的条码宽为（黑的、黄的或白的），称为基本码宽。

在标尺上共有2000个基本码(指的标尺)，不同数量的同颜色的基本码相连在一起，就构成了宽窄不同的码条。

图1－2在图１－２左边伪随机码的下面是望远镜照准伪随机码后截取的伪随机码片段。

该伪随机码的片段成像在探测器上后，被探测器转换成电讯号，即为测量信号。

该信号在数字水准仪中与事先已存储好的代表水准标尺伪随机码的参考信号进行比较，这就是相关过程, 称为相关。

在图１－２中将望远镜截取的伪随机码的片段与条码标尺上的伪随机码自下而上的比较，例如先与标尺底部对齐，发现不相同，然后往上移动一个步距（基本码宽），再比较，直到两码相同为止，或说两信号相同为止，即图１－２中左边虚线位置时，也就是最佳相关位置时，读数就可以确定。

如图ｌ－２中的０.116ｍ。

图中箭头所指为对应的区格式标尺的位置。

移动一个基本码宽来进行比较的精度是不够的，但是可以作为粗相关过程，得到粗读数。

再在粗读数上下选取一定范围，减少步距，进行精相关，就可以得到精度足够的读数。

由于标尺到仪器的距离不同，条码在探测器上成像的“宽窄”也将不同，即图1－２中片段条码的“宽窄”会变化，随之电讯号的“宽窄”也将改变，于是引起上述相关的困难。

徕卡数字水准仪采用二维相关法来解决，也就是根据精度要求以一定步距改变仪器内部参考信号的“宽窄”与探测器采集到的测量信号相比较，如果没有相同的两信号，则再改变，再进行一维相关，直到的信号相同为止，可以确定读数。

参考信号的“宽窄”与视距是对应的。

“宽窄”相同的两信号相比较是求视线高的过程，在此二维相关中，一维是视距，另一维是视线高，二维相关之后视距就可以精确算出。

可以想象用这种二维相关的计算量会很大，使读数时间过长。

为了缩短读数时间，或说二维相关时间，徕卡数字水准仪内部设计有调焦移动量传感器采集调焦镜的移动量，由此可以反算出概略视距，初步可以确定物像比例。

对仪器内部的参考信号的“宽窄”进行缩放，使其接近探测器采集到的测量信号的“宽窄”，然后再进行二维相关。

这样可以减少８０％的相关计算量．使读数时间缩短到４秒以内。

电子部件原理徕卡数字水准电子部件的原理图表示在图1－3上，电子部件的功能可用该方框图来说明。

望远镜照准标尺后，标尺的条码成像在探测器上，图1－3左下角的CCD上。

其探测器采用电荷藕合器件，简称CCD（Charge Coupled Device）。

CCD是由按照一定规律排列的ＭＯＳ（金属一氧化物一半导体）电容器阵列组成的移位寄存器，线阵ＣＣＤ长约mm，由中心距为２５μm的２５６个光敏二极管组成．其光敏窗口宽度为２５μｍ。

一个光敏窗口也称一个象素（或象元）。

线阵CCD将接收到的条码图像转换成模拟视频信号。

图1-4是这种信号的一个静态示例，纵坐标表示灰度值，其灰度共256级。

横坐标为象素的序列，共有256个像素。

当CCD输出测量信号时，横坐标就表示时间了。

CCD输出的模拟视频信号再输入读出电子部件。

读出电子部件将模拟视频信号进行放大，经A／D模数转换后，变成数字信号，也称为测量信号。

在该信号中以８位二进制表示每个像素的256级灰度值,并动态地将256个像素的灰度值依次提供给微处理器。

信息处理的核心是单片微处理器，在进行费时的测量函数和参考函数的相关计算时，由门阵列支持它。

当望远镜调焦清晰后，图1－3中的调焦编码器会将采集到的调焦镜位置信息送放大器放大，再经模数转换后，变成数字信号输入微处理器。

在微处理器中用下式计算概略视距：ｄf＝Ｋ／Ｓ（１－1）式中ｄf为概略视距；Ｋ为望远镜光学参数决定的常数，Ｓ为调焦镜的位置。

微处理器算出来的测量数据显示在两行矩阵式显示器上，仪器目镜旁边的键盘或接口用于输入数字命令。

在调焦旋钮旁安装了触发测量的测量鍵。

全部测量值都可存入内存或存储卡。

伪随机码简介及相关计算伪随机码属于二进制码，它的结构可以预先确定，并且可以重复产生和复制，另一方面它还具有随机特性，即统计特性。

GPS中的载波就是用这种伪随机码调制的。

该码由线性移位寄存器产生。

这种码用在数字水准议中具有可以在—100m距离内使用相关法的特点。

标尺上的白码条或黄码条在CCD器件上产生光电流，在电路上为高电平，我们用二进制的“1”表示，相反黑码条用“0”表示。

从条码标尺上测量得到的徕卡仪器的参考码序列为：{P}=10111…01101 (1－2)假定望远镜从条码标尺上截取的条码片段经电子部件处理后得到的测量码序列为：{Q}= (1－3)则相关函数表示为：R t =∑+⊕Nt Pi Qi 1 (1－4)式中： N 为测量码序列中码元的个数；i =1,2,…,N为测量码序列中码元的序号;⊕ 表示模二和运算，下文将进一步说明;t=0,1,.2,…,M -N-1，是移位相关的次数，而步距为一个码元；M 为参考码元的个数；表示两序列中相同元素的个数和减去不同元素的个数和。

此外相关系数表示为：ρt ＝t Pi Qi N N+⊕∑11 (1－5)由于相关函数和相关系数只差一个常数，有些文献中不加区别，统称相关函数。

模二和的运算规则如下：0⊕0=10⊕1=01⊕0=01⊕1=1上述规则表明，相同的码元相加为“1”，不相同的码元相加为“0”，由此可以统计测量码序列和参考码序列相比较时的相同程度。

相关函数和相关系数反映了两序列码比较时的相同程度。

设t=0,由(1－2)和（1－3）有：{P} =⊕ {Q} =相关函数序列 {R} =由此得相关函数 R 0=11－10＝1相关系数 ρ0=1/21=设t=1,由(1－2)和(1－3)有：{P}=⊕ {Q}=相关函数序列{R}=由此相关函数R1=12－9＝3相关系数ρ1＝3／21＝同理有t=2时R2=13－8＝5ρ2=5/21=t=3时R3=21ρ3=1t=4时R4=11－10＝1图1－5ρ4=t=5时R5=10－11＝－1ρ5=－t=6时R6=9－12＝－3ρ6=－图1－5表示了七次相关计算的结果，第4次的相关系数为1,明显突出于其他的相关系数，这个位置就是最佳相关位置，也就是测量信号与参考信号完全相同。

设最窄的条码宽为b （＝）,那么望远镜截取的标尺条码片段的最下面的边界线到标尺低端面的高度可用下式算出：h=b*t=×3=(mm)(1－6)如果换算成中丝的视线高读数，只需加一个常数。

所谓用软件改正i 角，也可以说是改变这个常数。

相关函数和相关系数还有另外一种计算公式，我们将二进制的0用1表示，在电路波形上用有一宽度（持续时间）和单位振幅的正电压表示；将二进制的1用－1表示，在电路波形上用同一宽度和振幅的负电压表示。

于是相关函数和相关系数可以用普通乘法计算，并定义如下：相关函数 R t =∑+Nt Pi Qi 1*(1－7) 相关系数ρt =∑+N t Pi Qi N 1*1 (1－8) 我们不难发现，上两式的计算结果与式（1－4）和（1－5）是相同的。

上两式也是取两序列码中相同码元个数之和减去不同码元个数之和。

为了用模二和运算计算相关函数和相关系数，可采用下两式：相关函数 R=A － D （1－9）相关系数 ρ=D A D A +-=ND A - =1－ND 2＝N A 2－ 1 （1－10）式中 A 是两序列中相同码元个数之和；D 是两序列中不同码元个数之和。